DE3050285T1

DE3050285T1 -

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Publication number: DE3050285T1
Application number: DE19803050285
Authority: DE
Priority date: 1980-03-03
Filing date: 1980-03-03
Publication date: 1982-04-15
Also published as: GB2083222A; DE3050285C2; JPS57500439A; WO1981002636A1; EP0047239A1; NL8020337A; EP0047239A4; JPS6319823B2; GB2083222B; EP0047239B1

Description

Leerseite

Claims

Verfahren zum Abtasten eines Werkstückes mit einer Außenfläche, die mindestens einen allgemein zylindrischen, eine Achse bestimmenden Abschnitt enthält, wie ein Rohr oder einen Schweißbereich eines Rohres, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t,

a).daß in Nähe des Werkstückes ein Ultraschallwandler mit einer Sendefläche angeordnet wird, die so geformt ist, daß eine senkrecht zur Achse stehende Ebene die Sendefläche längs einer Evolventen schneidet,

b) daß der Wandler mit einem elektrischen Signal impulsbeaufschlagt wird zur Erzeugung einer Ultraschallwellenform, die auf die Außenfläche des Werkstückes mit im wesentlichen gleichen, mit Bezug auf das Werkstück nichtradialen Auffallwinkeln auftrifft, und

c) daß die Reflexionen der Wellenform von dem Gegenstand mit Unregelmäßigkeiten in der Objektstruktur in Beziehung gesetzt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Durchlaßmittel zwischen dem Wandler und dem Werkstück zur Aufrechterhaltung einer erforderlichen RaurabeZiehung zwischen dem Wandler und dem Werkstück ohne bedeutende Dämpfung der Wellenform bei ihrem Durchtritt zum Werkstück eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge k e η η ze ichnet, daß als Durchlaßmittel ein aus einem Polymethylmethacrylat PMMA bestehender Keil eingesetzt wird und daß ein Ultraschallwandler mit einem piezoelektrischen Kristall verwendet wird. . .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch

g e k e η η ζ e i c h η e t, daß ein Ultraschallwandler mit einer Oberfläche in Gestalt eines Viereckes verwendet wird, wobei zwei Kanten Evolventen und zwei Kanten gerade Linien bestimmen.
5. Verfahren zum Untersuchen eines Werkstückes mit einer allgemein zylindrischen, eine Achse bestimmenden Außenfläche, wie einem Rohr oder einem Rohr-Schweißbereich, dadurch gekennzeichnet,

a) daß ein Ultraschall^andler in Nähe des Werkstückes angeordnet wird, der einen Querschnitt senkrecht zur Achse bestimmt, welcher einem Kreisteil entspricht, wobei mindestens drei Punkte des Kreises mit drei Punkten einer Evolventen zusammenfallen, die durch Erzeugung durch eine konzentrisch zur Achse liegende kreisförmige, erzeugende Evolute bestimmt ist,

b)daß eine Relativbewegung zwischen Rohr und Wandler eingeleitet wird,

c) daß der Wandler mit wiederholten elektrischen Signalen zur Abgabe von zum Werkstück hin ausgesendeter Ultraschallenergie impulsbeaufschlagt wird,

d) daß die Sendefläche des Wandlers mit dem Werkstück mittels eines Kopplungsmittels gekoppelt wird, um die Aussendefläche und das Werkstück in im wesentlichen konstanter räumlicher Beziehung zur Aufrechterhaltung der auf die Außenfläche des Werkstückes auffallenden Ultraschallenergie mit im wesentlichen gleichen Auffallwinkeln zu halten, und

e) daß die durch den Ultraschallwandler in Abhängigkeit von Ultraschallenergie-eflexionen im Werkstück erzeugten elektrischen Signale, die von einer für eine interne Strukturunregelmäßigkeit bezeichnenden Dichteänderung im Werkstück reflektiert wurden, gedeutet werden.
6. Vorrichtung zur Erfassung von Fehlern in einem Werkstück das mindestens ein Segment mit allgemein zylindrischer, eine Achse besitzender Außenfläche bestimmt, gekennzeichnet durch

a) einen Ultraschallwandler (51; 189; 260; 302, 304) mit einem mindestens annähernd durch eine Reihe von im wesentlichen zur Achse (11; 99) parallelen Linien (266) bestimmten, allgemein konkaven Sendebereich (52; 190),

. b) einen Halteaufbau (16; 200) zum Halten des Wandlers in der Nähe des Werkstückes (10; 60; 160; 210) während des Betriebs, mit auf dem Sendebereich errichteten Senkrechten (70, 72, 74) die sich in das Werkstück erstrecken, ohne die Achse zu schneiden,

c) eine Schaltung (24; 31Q) zur elektrischen Impulsbeaufschlagung des Wandlers zum Aussenden von Ultraschallenergie zum Werkstück längs der Senkrechten, und

d) eine die Ultraschallechosignale vom Inneren des Werkstückes aufnehmende Deutungsschaltung (24; 312) zum Anzeigen der Anwesenheit eines Werkstückfehlers.
7. Ultraschall-Untersuchungsvorrichtung zur Erfassung von · Fehlern in einem Werkstück, das eine Außenfläche mit mindestens einem allgemein zylindrischen und eine Achse aufweisenden Abschnitt besitzt, g e k e η η ζ e i c h η e t durch

a) einen Ultraschallwandler (20; 51; 189; 260; 302, 304) mit einer allgemein konkav gekrümmten, durch eine Reihe von zu der Achse (11; 99) parallelen Linien (266) bestimmten Sendefläche (52; 190), und

b) einen Halteaufbau (16; 200) zum Halten des Wandlers in der Nähe des Werkstückes (10; 210) während des Betriebes mit auf der Sendefläche errichteten, sich in das Werkstück ohne Schneiden der Achse erstreckenden Senkrechten (70, 72, 74).
8, Vorrichtung zur Erfassung von Fehlern in einem Werkstück, das mindestens ein Segment mit ringförmigem Querschnitt ■aufweist, wie ein Rohr, gekennzeichnet durch

a) einen Ultraschallwandler (51; 189; 260; 302, 304) mit einem Sendebereich (52; 190) für die Ultraschallenergie von solcher Form, daß die Ultraschallenergie auf den Gegenstand (10; 160; 21Q) mit einem an allen Querstellen im wesentlichen gleichen nichtradialen Einfallswinkel auftrifft,

b) eine Einrichtung (54; 122; 188) mit einer ersten (52), mit dem Ultraschallwandler zusammenwirkenden Fläche und einer zweiten (70), an der Außenfläche des Werkstückes anliegenden Fläche zum Aufrechterhalten einer im wesentlichen konstanten räumlichen Beziehung des Ultraschallwandlers zum Werkstück während des Durchtretens der Ultraschallenergie zum Werkstück, und

c) eine Auswertungseinrichtung (24; 300) zum Auswerten der aus dem Werkstück zurückkommenden, von den Ultraschallwandlern aufgenommenen Echosignale und Zuordnen zu Unregelmäßigkeiten im inneren Aufbau des Werkstückes.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch geke.nnzeich net, daß der Querschnitt der Aussendefläche (51) in einer senkrecht auf der Achse (99) des Werkstückes (60) stehenden Ebene eine durch eine Kreisevolute (59) mit der Werkzeugachse (99) als Mittelpunkt erzeugte Evolvente ist.
10.. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler einen sowohl zum Senden wie zum Empfangen von Ultraschallenergie geeigneten piezoelektrischen Kristall enthält.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch g e kennzeichnet , daß die Einrichtung zum EinWalten der räumlichen Beziehung zwischen Wandler und Werkstück ein aus Polymethylmethacrylat (PMMA) bestehender Keil (54;188) ist,
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Querschnitt der Sendefläche des Ultraschallwandlers eine Näherungskurve zu einer durch eine kreisförmige Evolute erzeugte Evolvente ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der Querschnitt durch einen
Kreisbogen bestimmt ist, von dem drei Punkte mit
einer tatsächlichen Evolvente zusammenfallen.
14. Vorrichtung zur Erfassung von Fehlern in einem Werkstück, das mindestens ein Segment mit ringförmigem
Querschnitt aufweist, wie ein Rohr, gekennzeichnet
durch

a) mindestens einen Ultraschallwandler (51; 189; 260; 302, 304) mit einem Ultraschallsendebereich (52; 19o), bei dem ein senkrecht zur Achse des Werkstückes geführter Querschnitt so gestaltet ist, daß ausgesendete Ultraschallenergie auf das Werkstück mit nichtradialen, im wesentlichen gleichen Einfallswinkeln auftrifft,

b) eine mit der Aussendefläche (52; 190) zusammenwirkende und Ultraschallenergie zu dem Werkstück und von diesem durchlassende Einrichtung (54; 188), und

c) eine Auswertungseinrichtung (24; 300) für die von dem Ultraschallwandler aufgenommenen und in elektrische Signale umgewandelten Ultraschall-Reflexionen aus dem Werkstück.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Wandlerfläche eine durch eine kreisförmige Evolute (59) um die Werkstückachse (99) als Mittelpunkt erzeugte
Evolvente ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Ultraschall durchlassende Einrichtung ein Keil (54; 188) aus Polymethylmethacrylat ist mit einer mit dem zylindrischen Werkstück zusammenwirkenden Fläche und einer zweiten mit

der Evolventenfläche zusammenwirkenden Fläche.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß '"

die Ultraschallwandler-Aussendefläche (52) und die damit zusammenwirkende Fläche des PMMA-Keils (54; 188) Kfeiszylinderflachen sind, wobei jeweils drei Punkte des erzeugenden Kreises mit drei Punkten einer durch eine kreisförmige Evolute erzeugten Evolvente zusammenfallen,
18. Vorrichtung zur Erfassung von Fehlern in einem Werkstück, das mindestens ein Segment mit ringförmigem ■ Querschnitt aufweist, wie ein Rohr, g e k e η η ζ ei c h η et durch

a) mindestens einen Ultraschallwandler (20; 51; 189; 260; 302, 304) mit einer annähernd kreiszylindrischen Ultraschall-Sendefläche (52; 190), wobei der erzeugende Kreis des Zylinders an drei Punkten mit einer durch eine kreisförmige Evolute erzeugten Evolventen zusammenfällt,

b) eine mit der Ultraschall-Aussendefläche (52; 190) zusammenwirkende und Ultraschällenergie zu dem Werkstück (10; 60; 160; 210) durchlassende Einrichtung (54; 188), und

c) eine elektronische Einrichtung (24; 300) zur Zuordnung von Ultraschallechosignalen aus dem Werkstück zur Innenstruktur des Werkstückes.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß die Ultraschall durchlassende Einrichtung außer der mit der Ultraschall-Aussendefläche des Wandlers zusammenwirkenden eine zweite mit dem Werkstück zusammenwirkende Fläche besitzt, wobei beide Flächen Kreiszylinderflächen sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der zweiten Fläche der Durchlaßeinrichtung (54; 188) und der zugeordneten Fläche des Werkstückes (60; 160) ein Zuführweg für ein Ültraschall-Koppelungsfluid bestimmt ist.
21. Vorrichtung zur Ultraschall-Fehleruntersuchung eines Rohr-Schweißbereiches, gekennzeichnet durch

a) mindestens einen Ultraschallwandler (20; 51; 189; 260; 302, 304) mit einer Ultraschall-Aussendefläche (52; 190), mit einem einer Evolvente mit kreisförmiger Erzeugungskurve angenäherten Querschnitt,

b) einen Impulsgeberkreis (310) zum Beaufschlagen des mindestens einen Wandlers zum Aussenden von Ultraschallenergie zu dem Rohr (10; 60; 160; 210),

c) eine zwischen Wandler und Rohr eingesetzte Einrichtung (54; 188) mit einer ersten, mit der Ultraschäll-Aussendeflache des Wandlers zusammenwirkenden Fläche mit angenähertem Evolventenquerschnitt und einer zweiten mit dem Rohr gekoppelten kreiszylindrischen Fläche, bestehend aus einem ültraschalldurchlässigen Material, die den Wandler in räumlicher Beziehung zu dem Rohr ' hält, und

d) einen mit dem Wandler zur Zuordnung von aus Ultraschallreflexionen erzeugten elektrischen Signalen zu Fehlern im Schweißbereich des Rohres gekoppelten Empfängerkreis (312).
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der ultraschalldurchlässigen Einrichtung (54; 188) und der Rohrwand ein Spalt für ein Ültraschall-Koppelungsfluid vorgesehen ist.

Ansprüche

?)Ein Ültraschall-Fehlerdetektor zur Erfassung von Unregelmäßigkeiten in einem Gegenstand mit mindestens einem Segment ringförmigen Querschnitts, wie einem Rohr, bestehend aus:

a) einem Wandler zum Aussenden einer Ultraschallenergiewelle in den Gegenstand, wobei der Wandler so gestaltet ist, daß an einem bestimmten Punkt in einer Ebene eines Gegenstands-Querschnitts die Energie auf dem Gegenstand mit einem nicht-radialen Einfallswinkel auftrifft, der im wesentlichen gleich dem Auftreffwinkel an jedem anderen Punkt in dieser Ebene ist,

b) eine Durchlaßeinrichtung mit einer ersten, mit.dem Wandler zusammenwirkenden Fläche zur Sicherstellung, daß der Wandler eine im wesentlichen konstante körperliche Beziehung zu dem Gegenstand während des Durchlassens der Energie zu dem Gegenstand behält, und

c) eine Deutungseinrichtung zum Zuordnen von Reflexionen der Ultraschallsignale zu Unregelmäßigkeiten in der Struktur des Gegenstandes.

2. Der Ultraschall-Fehlerdetektor nach Anspruch 1, wobei ein Querschnitt der ersten Fläche eine durch einen erzeugenden Kreis, dessen Mittelpunkt mit der Achse des zu untersuchenden Gegenstandes zusammenfällt, charakterisierte Evolvente enthält.

3. Der Ultraschall-Fehlerdetektor nach Anspruch 1, wobei der Wandler einen erfassehden-sendenden piezoelektrischen Kristall enthält.

4. Der Ultraschall-Fehlerdetektor nach Anspruch 2, wobei die Durchlaßeinrichtung einen Lucite-Keil mit einer zweiten, mit dem Gegenstand zusammenwirkenden Fläche enthält.

5. Der Ultraschall-Fehlerdetektor nach Anspruch 1, wobei der Querschnitt der ersten Oberfläche eine durch eine kreisförmige Evolute erzeugte Evolvente annähert.

6. Der Ultraschall-Fehlerdetektor nach Anspruch 5, wobei die Fläche ein Zylinderabschnitt ist und der. Querschnitt einen Kreisbogen umfaßt, von dem drei Punkte mit einer tatsächlichen Evolvente zusammenfallen.

7. Ein Ultraschall-Fehlerdetektor zur Erfassung von Unregelmäßigkeiten in einem Gegenstand mit ringförmigem Querschnitt, bestehend aus:

a) einem Wandler mit einer Signalaussendefläche zum Aus-. senden einer Ultraschall-Energiewelle zu dem Gegenstand, wobei der Wandler so gestaltet ist, daß an irgendeinem Punkt in einer Gegenstands-Querschnittsebene die Welle auf den Gegenstand mit nicht-radialen Einfallswinkeln auftrifft, die im wesentlichen gleich den Einfallswinkeln an. jedem anderen Punkt der Ebene sind,

.· b) eine mit der Fläche zusammenwirkende und Ültraschallsignale zu dem Gegenstand durchlassende Durchlaßeinrichtung, und

c) eine mit dem Wandler verbundene Einrichtung, um Reflexionen der Ultraschallsignale mit der Struktur des Gegenstandes in Beziehung zu bringen.

- VS -

8. Der Ultraschall-Fehlerdetektor nach Anspruch 7, wobei ein Querschnitt der Fläche mit einer durch eine kreisförmige Evolute mit einem mit der Achse des zu untersuchenden ringförmigen Querschnitts zusammenfallenden Mittelpunkt charakterisierte Evolvente zusammenfällt.

9. Der Ultraschall-Fehlerdetektor nach Anspruch 8, wobei die Durchlaßeinrichtung einenLucite-Keil mit einer ersten, mit dem zylindrischen Gegenstand zusammenwirkenden und einer zweiten, mit der Evolvente zusammenwirkenden Fläche enthält.

10. Der Ultraschall-Fehlerdetektor nach Anspruch 7, wobei die Fläche ein Zylindersegment enthält und ein Querschnitt des Zylinders ein Kreissegment enthält, von dem drei Punkte mit drei Punkten einer Evolventen zusammenfallen, deren Erzeugungskurve eine kreisförmige Evolute ist.

11. Ein Verfahren zum Abtasten eines Werkstückes mit einem ringförmigen Querschnitt, wie einem Rohr oder einem Rohr-Schweißbereich, umfassend folgende Schritte:

a) Herstellung einer Ultraschallwandlerfläche mit

solcher Form, daß ein ebener Querschnitt parallel zum ringförmigen Querschnitt den Wandler längs einer

Evolventen schneidet,

b) Impulsbeaufschlagung des Wandlers mit einem elektrischen Signal, wodurch eine Ultraschallwellenform erzeugt wird, deren einzelne Komponenten längs unterschiedlicher geradliniger Wege zu dem Werkstück laufen, wobei die Komponenten an dem Werkstück mit

im wesentlichen nicht-radialen Einfallwinkeln auftreffen, und

c) Korrelierung von Reflexionen der Wellenform von dem Gegenstand mit Unregelmäßigkeiten in der Struktur des Gegenstandes.

12. Das Verfahren nach Anspruch 11, mit dem weiteren Schritt des Einsetzens einer Durchlaßeinrichtung zwischen dem Wandler und dem Gegenstand zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Raumbeziehung zwischen dem Wandler und dem Gegenstand ohne bedeutende Abdämpfung der Wellenform.

13. Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Durchlaßeinrichtung .einen Lucite-Keil umfaßt und der Ultraschallwandler einen piezoelektrischen Kristall umfaßt.

14. Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Ultraschallwandlerfläche eine vierkantige Gestalt umfaßt, wobei zwei Kanten Evolventen und zwei Kanten gerade Linien sind.

15. Ein Verfahren zum Abtasten eines Rohr-Schweißbereiches nach Schweißdefekten und Struktur-Unregelmäßigkeiten, bestehend aus folgenden Schritten:

a) Herstellen einer Ultraschallwandlerfläche mit einem Querschnitt, dessen Form einem Kreis entspricht, wobei mindestens drei Punkte des Kreises mit drei Punkten einer Evolvente zusammenfallen, wobei die Evolvente durch eine kreisförmige erzeugende Evolute erzeugt ist, deren Mittelpunkt mit der Mittelachse des Rohres zusammenfällt,

b) Versetzen der Oberfläche in enge Beziehung zu dem Rohr und Verursachen einer Relativbewegung von Rohr

und Oberfläche, *

c) Impulsbeaufschlagen der Ultraschallwandlerfläche mit wiederholten elektronischen Signalen, wodurch das Aussenden von .Ultraschallenergiestrahlen zu dem Rohr hin verursacht wird, ■ '

d) Verkoppeln der Fläche mit dem Rohr mittels eines durchlässigen Mediums, wobei das Medium ein Halten der Oberfläche und des Rohres in einer im wesentlichen konstanten räumlichen Beziehung bewirkt und dadurch sicherstellt, daß die Strahlen in das Rohr mit im wesentlichen gleichen Einfallwinkeln eindringen, und

e) Deuten elektrischer, durch Ultraschallstrahlreflexionen in dem Rohr erzeugter Signale von dem Ultraschallwandler, die an einer eine strukturelle Unregelmäßigkeit anzeigenden Dichteänderung in dem Rohr reflektiert wurden.

16. Ultraschall^Fehlerdetektor zum Erfassen von. Unregelmäßigkeiten in einem Gegenstand mit mindestens einem Segment kreisförmigen Querschnitts, bestehend aus:

a) einem Wandler mit einer Signalaussendefläche, die einem Zylindersegment angenähert ist, wobei ein Querschnitt des Zylinders drei Punkte eines Kreises enthält, die mit drei Punkten einer Evolventen zusammenfallen, deren Erzeugungskurve eine kreisförmige Evolute ist,

b) eine mit der Fläche zusammenwirkende und Ultraschallsignale zu dem Gegenstand durchlassende Durchlaßeinrichtung, und

c) eine mit dem Wandler zur Zuordnung von Reflexionen der Ultraschallsignale zur Struktur des Gegenstandes verbundene Elektronikeinrichtung.

17. Der Fehlerdetektor nach Anspruch 16, wobei die Durchlaßeinrichtung zwei Flächen bestimmt, eine erste, mit dem Wandler zusammenwirkende, und eine zweite, mit dem Gegenstand zusammenwirkende Fläche, und wobei die erste und die zweite Fläche Kreisen angenäherte Querschnitte enthalten.

18. Der Fehlerdetektor nach Anspruch 17, wobei die Durchlaßeinrichtung einen Weg zur Zuführung eines Fluids zur Ultraschallverkopplung der zweiten Fläche mit dem Gegenstand bestimmt.

19. Ein Ultraschall-Fehlerdetektor zum Erfassen von Fehlern in einem Schweißbereich eines Rohrs, bestehend aus:

a) einem Wandler mit einer Signalaussendefläche mit einem einer Evolvente mit einer kreisförmigen Erzeugungskurve angenäherten Querschnitt,

b) einer Impulserzeugungseinrichtung zum Beaufschlagen des Wandlers und dadurch zum Aussenden von Ultraschallenergie zu dem Rohr,

c) einer Durchlaßeinrichtung mit einer ersten, mit dem Wandler zusammenwirkenden Fläche mit annäherndem Evolventenquerschnitt und einer zweiten, mit dem Rohr gekoppelten zylindrischen Fläche, wobei die Durchlaßeinrichtung ein an dem Wandler angebrachtes ultraschalldurchlässiges Material umfaßt, um den Wandler in. bezug auf das Rohr zu halten, und

d) einer mit dem Wandler zur Zuordnung von Reflexionen von Ultraschallenergie mit Fehlern im Schweißbereich gekoppelten Elektronikschaltung.

20. Der Fehlerdetektor nach Anspruch 19, wobei die Durchlaßeinrichtung einen Weg zur Vorsehung eines Ultraschall-Koppelf
luids zwischen der zylindrischen Fläche und dem Rohr bestimmt.